高速连铸用新型浸入式水口.doc

冶金之家网站高速连铸用新型浸入式水口Shung Sheng Kao1，Hsin Chin Kua1，Oliver Wiens2，Wolfgang MoΒner2，Markus Reifferscheid2，Nobert Vogl 2，Gernot Hackl 3，Gerald Nitzl 3(1.中钢公司，中国台湾省；2.西马克公司，德国；3.奥镁公司，奥地利)摘 要：连铸机结晶器内钢液的流动状态严重影响连铸坯的质量，尤其在弯月面处，钢液与结晶器保护渣直接接触，结晶器内弯月面不稳定引起的卷渣，是导致产品产生缺陷的主要原因之一，如冷轧薄板的线状缺陷和厚板的表面缺陷在结晶器润滑不均匀时，还会增加漏钢危险弯月面液面波动主要是由于浸入式水口吐出孔钢液剧烈的湍流和瞬态行为引起的最近，在一台连铸机上浇注不同钢种已成为全世界钢铁生产商努力的一个主要方向为了满足所有钢种的质量要求，对每个钢种都要求一定的浇注速度对常规的浸入式水口而言，确保结晶器内有利的流动条件是一个难题因此，比以往更需要一种新型浸入式水口，通过保持最佳的结晶器内钢液流动状态，以各种浇注速度浇注出多规格铸坯介绍了测试新型浸入式水口流动性能的数值模型和物理模型的试验。

采用 URANS 方法瞬态 CFD模拟表明，新型浸入式水口流出的钢液瞬态行为稳定，因而弯月面以下钢液流速较慢，其效果还通过水模拟得到了验证现场试验是在中国台湾的中钢公司进行的，试验结果表明，通过优化结晶器内钢液的流动行为，结晶器液面波动明显减小，从而提高了产品质量关 键 词：浸入式水口；结晶器液面；CFD；通钢量；浇注速度；板坯质量0 引言由于对连铸机的要求越来越高，包括灵活调节浇注速度、增加品种、扩大产品宽度和厚度范围、提高钢水和铸坯质量、延长无故障的浇注时间、降低生产和维护成本并节约能源(增加热装) ，精确协调工厂的各个工序是非常重要的 [1]为了确保这些要求，必须在设备设计时采取适当的措施因此，采用了计算机仿真模型(CFD) 和并行的物理模型，如水模型，以开发出按设计制造的设备 [2，3] 对于常规板坯连铸机，浸入式水口是非常重要的，因为它对上述产品及其生产条件有相当大的影响为了满足客户要求，设备制造者和耐火原料供应商之间的密切合作也是很重要的因此，西马克和奥镁公司决定联合开发出满足上述所有要求的新型浸入式水口1 理论分析和模拟由于各阶段钢液不稳定流动的影响，钢液内的多维热传导和溶解物扩散，连铸保护渣和钢液的各种化学反应和相变同时发生，这些过程相互影响，使得连铸结晶器内钢液凝固过程非常复杂。

对于设计与开发浸入式水口，首先要考虑弯月面区域钢液的流动浇注期间，只有钢液以一定的速度均匀而稳定地流入结晶器，避免结晶器内液面强烈波动，连铸机操作才能可靠，并获得高质量铸坯用几何比为1∶1 的水模型模拟凝固期间结晶器液面变化过程，遵守雷诺准数和弗劳德准数相似准则水模型与结晶器尺寸相同，水模型内的流速、湍流和液面波动与实际结晶器内的情况完全相同，而保护渣的影响忽略不计试验时，接近于结晶器液面的钢液速度既可以用激光光学传感器直接测量，也可以通过测量结晶器内液面的隆起高度间接测量为了精确计算结晶器内钢液的不稳定流动状态，采用了适合的湍流模型，该模型既能正确地观测浸入式水口内的湍流，也能正确地观测结晶器内的湍流转换到层流的情况尽管计算机的计算能力很强，但是计算采用时间为变量(小步长 )，计算过程还是需要几天甚至几周时间为开发一个合适的浸入式水口内腔结构，必须一方面详细地观测浸入式水口出口和结晶器液面涡流的形成及其流场；另一方面，研究浸入式水口相关参数(铸坯尺寸、浸入深度和浇注速度)，也有必要对结晶器液面状态进行快速和简单的过程分析 冶金之家网站在这里，数值计算和水模试验实现了很好的互补。

从 CFD 计算可以得到开发浸入式水口所需详细了解的钢液流动的大量数据，可提供在整个计算范围内的所有浇注速度浸入式水口形状的改进也很顺利采用水模型进行了试验参数研究，水模研究比数值研究时间短得多桨测试是评价弯月面区域钢液流动的一种简单、高效的方法本测试中，在浸入式水口和结晶器窄面间两侧各浸入一支桨，在定义的测试时间段记录偏差试验还记录了流动方向和出现的速度峰值，以及非对称性和周期性的流动情况为了确保浇注条件最佳，作为速度和湍流的指标，计算的平均偏差和标准偏差应该在定义的范围内，从而最大限度地降低浸入式水口和结晶器铜基板之间的卷渣和搭桥风险采用水模型进行了1200mm 宽结晶器用浸入式水口几何形状的研究，图1示出桨试验结果新开发的浸入式水口在各种浇注速度下，弯月面区域钢液流动状态比使用原设计浸入式水口稳定得多对于新开发的浸入式水口，通过改进其出口底部的形状，弯月面区域向上方的液流得到减弱由此可以推断，在低拉速情况下，弯月面区域液流速度很慢2 浸入式水口的设计安阳钢铁公司的板坯连铸机(厚 150mm、宽 1800～3250mm)成功地采用了改进的第一代浸入式水口，实现高通钢量，且结晶器液面稳定，这是浸入式水口第一次在单流连铸机上浇注如此宽的铸坯。

根据相同的设计原理，进一步开发出了一个球形杯状的浸入式水口，将出口扩大，芯部带杯形通孔，不过浇注的板坯尺寸相当厚，达到了 350mm进而设计了第二代浸入式水口(图 2)为了扩大其浇注流量，提高通钢率，在钢液吐出孔底部设有两个槽CFD 模拟结果表明，减少了浸入式水口两个吐出孔湍动钢液的交叉流在中钢公司 7 号双流板坯连铸机上进行了工业试验，将以前用的原设计浸入式水口同 冶金之家网站奥镁公司和西马克合作开发的优化的浸入式水口(底部带槽和底部不带槽) 的使用情况进行了比较连铸机中间包配备了滑动水口系统3 试验条件对采用新开发浸入式水口的结晶器流动模式进行了运行试验，目的是验证新浸入式水口能够改善浇注性能，进而提高板坯质量直接在中钢双流连铸机上进行了试验，在相同的浇注条件下，检测结晶器液位和铸坯表面质量，随时监测过热度、浇注速度和钢种试验过程分为两个阶段，见表 1第一阶段试验在工厂调试期进行，由此可优化设备目的是检验新开发的浸入式水口的可行性，获得初步经验第二阶段试验在连铸机验收后进行连铸机浇注设备条件极佳，不受非优化设备参数的影响4 试验结果4.1 底部不带槽的新型浸入式水口与原设计浸入式水口比较对于钢液出口部位底部不带槽的新型浸入式水口与原设计浸入式水口的比较，安排了两个浇次。

在第一浇次，为了使浇注速度增加不受限制，选择连浇 4 包低碳钢两个浇次的浇注速度在 1.4～1.7m/min 之间，在各种情况下，两流并行控制第二浇次连浇 8 包钢需要特别注意的是，结晶器液位和结晶器液面状态与结晶器液面结壳以及浸入式水口和结晶器铜板之间搭桥有关，严重影响铸坯表面质量等静压成型的浸入式水口一般由本体和渣线耐蚀层组成本体主要采用氧化铝-石墨(Al 2O3-C)复合材料，渣线部位采用锆-石墨(ZrO 2-C)复合材料为了防止在浸入式水口插入结晶器期间热冲击导致的开裂，在浸入式水口外层包了隔热耐火纤维浸入式水口与中间包滑动水口连接，是通过浸入式水口上方的一个反环推上去的由于新浸入式水口出口变宽，环绕管焊接了一个扣环浸入式水口的技术细节，如图 3 所示 冶金之家网站第一浇次期间，采用新型浸入式水口，结晶器液面情况明显改善两条铸流浇注速度没有明显变化，结晶器液面偏差也没有明显变化(图 4)EDAS 数据记录仪质量分析表明，采用新型浸入式水口的结晶器液面波动很小由于良好的流动性能，在第一浇次试验中，尽管通钢量很大，结晶器液面一直保持良好，浇注速度提高到 1.7m/min 没出现问题。

对使用原设计浸入式水口的铸流而言，提高浇注速度是不可能的与原设计浸入式水口比较，新型浸入式水口优化流动状态效果表现为中间包滑动水口移动较小原设计浸入式水口控制精度仅达到 85%，新设计的浸入式水口在第一浇次试验中已经记录到在结晶器液面偏差限定为±2.5mm 以内精度达 95%以上，这相当于接近标准偏差 2σ(95.4%)在第二浇次试验中，实现了结晶器液面全面改善，采用两种类型浸入式水口，结晶器液位的控制精度百分比差异变得越来越小，但仍清晰可见新型浸入式水口结晶器液位控 冶金之家网站制精度为 99.85%，原设计浸入式水口为 95.58%这两个数据都满足 (2σ)标准偏差质量标准然而，优化的浸入式水口优势明显两个浇次试验的边界条件如表 2 所示4.2 底部带槽与不带槽的新型浸入式水口生产的低碳钢、包晶钢和微合金扁钢比较新开发的两种不同浸入式水口效果在有关的浇次中进行了直接比较(图 5)在双流连铸机的两条铸流上都配备了新型浸入式水口(一流浸入式水口底部带槽，另一流底部不带槽)，并进行了测试比较底部带槽的目的是额外扩大浸入式水口向下方的流动，根据流场分析，流出角随着流出体积和质量增加而增大(图 6)。

如果接近结晶器内表面区域的钢液流速太小，将导致结晶器液面结壳以及浸入式水口和结晶器铜板之间搭桥(见桨试验 )在第一浇次试验过程中，连续监测弯月面区域，主要监测结晶器边缘区域的凝固 冶金之家网站对两种新型浸入式水口(底部带槽和不带槽 )共进行了三个浇次试验 (图 7)第一浇次试验是一般工艺的改进试验另两个浇次试验，则测试加大裂纹敏感性钢种通钢量和浇注速度与铸坯表面质量的相关性第一浇次试验连浇了 8 包钢水，同时浇注速度增加至 1.6m/min整个试验过程无故障浇注的准备工作与上一节提及的第一浇次试验相同只是浸入式水口预热时间加长了，同样缠绕了隔热纤维垫保留了浸入式水口与中间包滑动水口连接反环整个试验期间，两条铸流都表明结晶器液面波动较小各种浇注速度对结晶器液面没有明显的影响在开浇时，底部带槽的浸入式水口结晶器液面更稳定但是这个浇次试验浇注第二包后情况变差，与其他浸入式水口结晶器液面无明显区别接下来的检查发现水口上附着的非金属夹杂物数量增加，填满了底槽，有改善作用的向下流被取消，所以两个浸入式水口流动方向几乎无差别双流连铸机上的两个浇次的中间包滑动水口控制操作几乎是相同的浸入式水口没有发生结壳，结晶器液面流动很平稳。

试验不干扰结晶器钢水液面的交换，在所有浇注速度下都能够减少钢液湍流由于本浇次试验测试结果与第一浇次试验再现性好，达到了改善浇注裂纹敏感性钢种结晶器内的钢液面流动的目标浇注测试了 5 钢包微合金化包晶钢两条铸流的浇注速度为 1.20～1.40m/min其次，试验采用新型浸入式水口的两条铸流，都得到结晶器钢液面稳定的(在保证范围内)测试结果，底部带槽的新型浸入式水口试验数据更好接下来的检查表明，浸入式水口耐火材料几乎没有任何侵蚀，因此，浇注用浸入式水口形状和特性几乎没有任何变化也未检测到附着的非金属夹杂物接下来的试验浇注条件类似，目的是确定底部带槽和不带槽的两种新型浸入式水口浇注低碳钢的运行情况低碳钢浇注速度在 1.30～1.60m/min整个浇注试验过程底部带槽的浸入式水口检测的结晶器液面波动较小，无附着夹杂物的迹象浇注 5 钢包后，浸入式水 冶金之家网站口底槽没有被堵塞，几乎无侵蚀，结果见表 3两种改进型浸入式水口浇注全过程测试的结晶器液面偏差的参考值均在±2.5mm 之内很明显，结晶器液面的测试精确度几乎相同，在 96.4%～ 99.78%之间第一浇次测出的底部带槽的浸入式水口结晶器液面状态更好，在第二浇次试验得到了认证。

所有铸流测试均达到了公认的质量标准和标准偏差 2σ(95.4%)4.3 测试结晶器液面状态与通钢量之间的关系新型浸入式水口的另一个优点通过检测浇注相同宽度板坯过程结晶器液面偏差与浇注速度和通钢量之间的关系得到了证实在所有浇注速度范围内，结晶器液面偏差为±1mm，说明偏差在很窄的范围内新型浸入式水口在浇注。